JP2011219070A - 自転車の走行駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】走行力を高めるため電動による補助や、クランクアームを長くするなど多くの提案がなされているが、何れも複雑な機構となっている。
【解決手段】本発明は自力での走行力を高めるために、駆動用スプロケットの径を従来のものより小さくすると共に、小さくすることで落ちた回転数をクランクアームとペダルを主構成要素とする簡易な回転数増幅機構を付加することのみで、駆動用スプロケット自体の回転数を増すことが出来るようにし、相反する作用を解決することが出来るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は自転車の走行力を高める走行駆動機構に関するものである。

近年の健康への関心。或いは、二酸化炭素の排出規制など環境問題への関心が高まり、自力で移動出来る自転車に対する関心が高まっている。一方、自力で走行することから、自ずと体力・脚力での限界があり、このことから、自転車そのものに対して、より高く、より早く、より遠く、より軽やかに移動出来るように成らないかと云った要求が出されている。

特開２００７−８３８１１号

図２に一般的な自転車の概観図を示す。本例によれば自転車本体のフレーム１に駆動用スプロケット２を回転させるためのクランクアーム３が、クランク軸を介して回転自在に取り付けられている。このとき、駆動用スプロケット２とクランクアーム３は同軸上に結合されている。

このため、人力によりペダル４を漕ぐとクランクアーム３が回転し、同時に同方向に駆動用スプロケット２が回転する。これにより人力（駆動力）はチェーン５と後輪側スプロケット６を介して後輪７を回転させる。このことによって、自転車に走行力を発生させることになっていることは周知の通りである。

このときの動力の伝達を図３に模式化して示した。ペダル４を漕ぐ力をＦ１、後輪７を駆動する力をＦ２、自転車の走行力をＦ３とし、クランクアーム３の長さをｒ１、駆動用スプロケット２の半径をｒ２、後輪側スプロケットの半径をｒ３、そして後輪の半径をｒ４としたとき、以下の式が成り立つ。
Ｆ１・ｒ１＝Ｆ２・ｒ２
Ｆ２・ｒ３＝Ｆ３・ｒ４ → Ｆ２＝Ｆ３・（ｒ４／ｒ３）
Ｆ１＝Ｆ３・（ｒ４／ｒ３）・（ｒ２／ｒ１）
従って走行力Ｆ３は
Ｆ３＝Ｆ１・ｒ１・（ｒ３／ｒ４）・（１／ｒ２）
となり、ｒ２の径が小さいほど走行力が高まることが分かる。

このことから、ペダルを踏む力を少なくするためには、駆動用スプロケット２の径を小さくすることが望まれるが、一方で回転数が減って走行速度が落ちると云う問題が生じる。本発明はこの相反する課題を解決しようとするものである。

走行力を高める方策として、これまで特許文献１で見られるような、クランクアームを伸ばす工夫が試みられたり、ギアのような補助機構を設けたりの種々の提案がなされ、特許も多数出願されているが、その何れもが複雑な機構となっている。また、本発明で着目する駆動用スプロケットの径を小さくしその上、スピードも従来並みとする事例は見られない。

本発明で走行力を高めるためは駆動用スプロケットの径を従来のものより小さくすると共に、クランクアームに簡易な機構を負荷するのみで、駆動用スプロケット自体の回転数を増すことが出来るようにし、前記の相反する作用を解決することが出来るものである。

このようにすることで、健脚者はより一層スピードを楽しんだり、山坂の走行を楽しんだりすることが出来、本機構を電動アシスト自転車に適用することで、体力のない老齢者などはより一層遠くへ行ったりする事が出来るようになる。
また、機構が簡易なため安価に上述の効果を得ることが出来る。

本発明の駆動力伝達機構で、一部部分断面を示すものである。 従来用いられている一般的な自転車の概観図。 図２で示した自転車における駆動力の伝達を模式化した図。 本発明の駆動力伝達を模式化した図。 本発明のペダル内の歯車伝達機構に関する他の実施例

本発明は、クランク軸を回転可能に貫通させた自転車フレームの本体に、前記クランク軸の軸心と同じくする中空軸を設け、同中空軸に駆動伝達スプロケットを取り付けた駆動用スプロケットを回転可能に取り付けると共に、クランク軸にクランクアームを取り付け、同クランクアームの回転力を１つの独立した回転力に変換する機構をペダルと共に構成し、前記回転力をペダル側スプロケットに伝え、同回転力を駆動伝達スプロケットに伝え、駆動用スプロケットを介し後輪に伝えるようにして、自転車の走行力を得るようにしたものである。

このことを具体的に説明すると、自転車を漕ぐ力は一定の限界があるものとして、自転車の走行力を高めるため、駆動用スプロケットの径を従来に比べて小さくするが、そのために後輪の回転数が落ち、スピードが落ちるのを防ぐため、従来は一体的に接合されていたクランク軸と駆動用スプロケットを分離し、各々独自に回転可能とすることで、駆動用スプロケット自体の回転数を高められるようにした。

この回転数を高める方法として、ペダルからの駆動力をクランクアームに取り付けたペダル側スプロケットから得るようにし、同スプロケットと駆動用スプロケットに同軸上に取り付けられ、駆動用スプロケットに回転力を伝える機能を持つスプロケットのギア比を変えることで、つまりペダル側スプロケットの歯数を多くし、駆動用スプロケットに回転力を伝えるスプロケットの歯数を少なくすることで達成出来るようにした。

このとき、ペダル側スプロケットはクランクアームが回転するとき、同スプロケット自体も回転出来るようにする。つまりは、自転と公転の関係の動きを行うようにしたものである。

これは、自転車を漕ぐときには通常ペダルをほぼ水平に保持するように漕ぐが、保持、つまりはペダルが固定されていると看做すと、クランクアームが１回転する間にペダルとクランクアームを結ぶ軸もペダルに対して１回転したことになる。

本発明はこのことに着目し、クランクアームの回転をもう１つ独立した回転力として取り出し、当該回転力をペダル軸を介して、同軸に取り付けられたペダル側スプロケットに伝わるようにした。このことで、例えば、クランクアームが１回転する間にペダル側スプロケット自体も１回転するようにする。これによって、ペダルを漕ぐ力は、走力を出すための力とスピードを上げるための力も出すことが出来る。

従って、脚力に応じ歯数の異なるスプロケットを取り替えることで、より一層のスピード感を得たり、逆に小さな力で走行を楽しんだりすることも出来る。

図１を用いて説明すると、自転車本体のフレーム８に回転自在に取り付けられたクランク軸９にクランクアーム１０が取り付けられている。また、本体８にはクランク軸９と同軸線上に駆動用スプロケット１１がベアリング１２を介して回転可能に取り付けられる。そして、この駆動用スプロケットには、ボルトでもって取外し可能に駆動伝達スプロケット１３が同軸上に取り付けられている。

一方、駆動力発生源であるクランクアーム１０側には、同アーム１０の回転と同期する歯車２０と、同歯車の回転力を伝える歯車１８及び前述歯車２０と同一軸心上にある歯車１６で以って、歯車２０に対応する力を外力として取り出せるようにすることで、クランクアーム１０の回転力をもう１つの独立した回転力に変換する独立回転機構を構成させている。

更に詳細に説明すると、前述独立回転機構をペダル１５内に持つとき、歯車２０の回転をペダル側スプロケット１７に伝えるよう、中空軸２４とベアリングを介して回転自在に取り付けられた支持板２５とペダル軸１４とベアリングを介して回転自在に取り付けられた支持板２５’に支持された軸２３に取り付けられた歯車１８とペダル軸１４に取り付けられた歯車１６を有する。そして前記歯車１６を取り付けたペダル軸１４は、中空軸２４を貫通しペダル側スプロケット１７に連結され、クランクアーム１０の回転力をペダル側スプロケットに伝えるようにしたものである。

そして、駆動伝達スプロケット１３とペダル側スプロケット１７はチェーン１９で動力が伝達されるようになっている。例えばこのとき、クランクアーム１０の軸間長さは、大人用自転車で大体において１７ｃｍ程度であるが、図４で模式的に説明すると、駆動伝達スプロケット１３の直径Ｄ１を４ｃｍとし、ペダル側スプロケット１３の直径Ｄ２を８ｃｍとすると、ギア比もほぼ同等に取れるので、同比を２：１としたとき、従来の駆動用スプロケットの直径が１６ｃｍであったとすると、以前と同程度のスピードを求めるとき、駆動用スプロケット１１の長径スプロケット２７の径は８ｃｍ程度に縮めることが出来る。

然しながらこの場合、力を伝達するペダル軸の位置が４ｃｍクランク軸側にずれることとなるので、実質的には力を伝達するクランクアームの長さは１３ｃｍとなる。この結果、従来の自転車に比べ走行力は約１．５倍で、走行速度は同等を保つことが出来る仕様となる。

更に速度を上げるためには、駆動伝達スプロケット１３の径を小さくするか、ペダル側スプロケットの径を大きくしてやればよい。この辺りは自転車を乗る人の自由設計であり、本発明によれば、それらスプロケットを締結しているボルト２１・２１’もしくは２２・２２’を取り付けたり、取外しすることで、一般の人でも簡単に両スプロケットを違った径（歯数）のスプロケットに付け替えることが出来る。

ただし、経済性の観点から見れば駆動伝達スプロケット１３については、駆動用スプロケット１１と一体的に製作されることが望ましいことがあり、この場合図１に示した３段切り替えスプロケットの事例であればスプロケットを４段とし、その中の１つを駆動伝達スプロケット１３の役目を受け持たすようにする。

スプロケットを中心に考えるとこのようになるが、速度を上げる手段として、本発明ではそれ以外に、もしくは、それに付加した手法として、ペダル内の歯車伝達機構、つまりは、ペダル１５内の歯車の歯数比を替えて行うことも出来る。

その事例を図５に示すが、その特徴とするところは、クランクアーム１０に固着された中空軸２４を介して取り付けた歯車２０の歯数に対し、同歯車２０の回転力を直接受ける歯車３０の歯数を少なくし、前記歯車２０と同じ軸心上にある歯車１６から出力する回転数を歯車２０の回転数より多くなるようすることで回転速度を上げれるようにしている。

なお、歯車３０と歯車３１は図１の事例と同じく、ペダル軸１４に対し回転自在に取り付けられた支持板２５と中空軸２４に段差をつけて回転自在に取り付けられた支持板２５’に支えられペダル軸１４を中心として回転する軸２３に取り付けられている。

以上のように、クランクアーム１０の回転とは別に独立した、回転力を取り出す基本的な構成はこのようになるが、クランクアーム１０自体の力をよりよく駆動用スプロケット１１に伝達するために図１に戻り説明すると、クランク軸９と駆動伝達スプロケット１３の間に、他の部材の断面と識別しやすいように点で断面として表した一方向クラッチ２６を取り付け、クランクアーム１０を回転する力を駆動伝達スプロケット１３へ直接伝わるようにすることで、クランクアーム１０を回転しようとする力は、スプロケット１３とペダル１５の双方に伝わり、回転数を増した上で、スムースな回転を可能とする。

なお、一方向クラッチ２６は既に自転車などにも用いられているので簡略化して図示しているが、例えば日本国のＮＴＮ社製のＨＦＬ形等でよい。

速度を高めたときペダルの回転にペダルを漕ぐ力が追い着かないことを経験した人も多いと思う。これは車輪の回転数が上がると、その上昇と共にペダルに加えられる力が減って行くからに他ならず、現在知られている自転車の駆動機構では、回転数の上昇には限界が有ることを示している。
これに対し、本発明はその限界を超えた回転数を与えることを可能としたものであり、かつ、比較的簡易な機構で走行力を高めることが出来るものである。

また、体力に応じてその高める程度を変えることも出来るので、健脚者には健脚者なりの、また体力的弱者には弱者なりの健康増進的な使い方が出来る乗り物を提供するものであり、産業上有用である。

９…クランク軸
１０…クランクアーム
１１…駆動用スプロケット
１３…駆動伝達スプロケット
１４…ペダル軸
１５…ペダル
１７…ペダル側スプロケット
２４…中空軸

Claims (4)

1. クランク軸を回転可能に貫通させた自転車フレームの本体に前記クランク軸の軸心と同じくする中空軸を設け、同中空軸に駆動伝達スプロケットを取り付けた駆動用スプロケットを回転可能に取り付けると共に、クランク軸にクランクアームを取り付け、同クランクアームの回転力とは別の１つの独立した回転力に変換する独立回転機構を構成し、前記回転力をペダル側スプロケットに伝えることを特徴とする自転車の走行駆動機構。
2. クランク軸と駆動伝達スプロケットの間に、一方向クラッチを取り付け他ことを特徴とする請求項１に記載の自転車の走行駆動機構。
3. クランクアームに取り付けた歯車の歯数に対し、同歯車の回転力を直接受ける歯車の歯数を少なくし、前記クランクアームに取り付けた歯車と同じ軸心上にある歯車から出力する回転数を前記クランクアームに取り付けた歯車の回転数より多くなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のペダル内の歯車伝達機構。
4. クランクアームに取り付けた歯車の歯数に対し、同歯車の回転力を直接受ける歯車の歯数を少なくし、前記クランクアームに取り付けた歯車と同じ軸心上にある歯車から出力する回転数を前記クランクアームに取り付けた歯車の回転数より多くなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のペダル内の歯車伝達機構。

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